К&М
Меню сайта
Форма входа
Поиск
Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 82
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz

  • Сайты Поволжья
    Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0





    Rambler's Top100




    Понедельник, 18.12.2017, 09:57
    Приветствую Вас Гость | RSS
    Главная | Регистрация | Вход
    Электродинамический привод - часть 1
    Мои изобретения
    (19)Евразийское патентное ведомство(11) 011246 (13) B1
    (12)ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
    (45)Дата публикации и выдачи патента:
    2009.02.27


    (21)Номер заявки:
    200701722


    (22)Дата подачи:
    2006.07.19


    (51)Int.
    Cl F02M 51/06 (2006.01)
    H01F 7/06 (2006.01)


    (54)ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИВОД



    (31)a 2006 05452
    (56)DATABASE WPI Week 199538,
    Derwent Publications Ltd., London, GB; AN
    1995-291539, XP002429091-& RU 2029129
    C1 (KHARK POLY), 20 February 1995
    (1995-02-20), cited in the application, abstract

    GB-A-149283
    US-A-3671893
    DE-A1-102004047354
    GB-A-2204998
    (32)2006.05.19

    (33)UA

    (43)2008.06.30

    (86)PCT/UA2006/000047

    (87)WO 2007/136359 2007.11.29

    (71)
    (73)
    Заявитель и патентовладелец:
    КУЛЫГИН ВИКТОР ИВАНОВИЧ;
    КИРИЛЮК ИГОРЬ ОЛЕГОВИЧ;
    КОРОГОДСКИЙ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ;
    ЛОМОВ СЕРГЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ (UA)

    (72)Изобретатель:
    Кирилюк Игорь Олегович,
    Корогодский Владимир Анатольевич,
    Ломов Сергей Георгиевич (UA)

    (74)Представитель:
    Носырева Е.Л. (RU)




    (57)
    Изобретение относится к области электротехники, в частности к электродинамическим приводам.
    Электродинамический привод, в котором электрическая энергия преобразуется в линейное перемещение толкателя привода, включающий электрическую катушку и электропроводящий якорь, выполненный из неферромагнитного материала, по крайней мере, в той части якоря, в которую проникает магнитное поле катушки, взаимодействующий с катушкой при подключении катушки к импульсному источнику электрической энергии, содержащему конденсатор с подключенным к нему коммутирующим устройством с блоком управления, привод включает N электрических катушек, при этом N≥1, и K электропроводящих якорей, при этом K≥1, а коммутирующее устройство выполнено с возможностью обеспечения частичного разряда конденсатора в апериодическом режиме разряда. Заявляемое изобретение представляет собой электродинамический привод, который за счет простоты и эффективности конструкции, а также за счет подбора и согласования параметров источника электрической энергии с параметрами конструктивных элементов привода обеспечивает высокий уровень КПД, что в свою очередь позволяет создать требуемый импульс механической силы, снизить энергоемкость устройства, а также позволит обеспечить требуемое быстродействие, частоту срабатывания устройства и требуемую точность работы.


    Существует ряд устройств, для функционирования которых требуются электроуправляемые приводы, обеспечивающие заданные перемещения в течение очень коротких и точно обозначенных промежутков времени. Так, например, в схемах управления переменным током высокой мощности очевидно преимущество открытия и закрытия контактов за время, промежуток которого намного меньше половины длительности цикла переменного тока, что позволяет разорвать или установить контакт в течение одного из коротких промежутков времени, когда мгновенная мощность в схеме относительно низка. В устройствах отбора проб жидкостей или газов в случае изучения быстроизменяющихся процессов требуется произвести отбор образца в точно определенный промежуток времени. В системах дозирования жидкостей или газов скорость и точность работы привода является определяющей для достижения точности дозирования. В качестве электроуправляемых приводов, используемых для обеспечения функционирования указанных типов устройств, применяются пьезоэлектрические приводы, электромагнитные приводы, а также электродинамические приводы различной конструкции. Действие пьезоэлектрического привода основано на пьезоэлектрическом эффекте - взаимной, обратимой связи механических деформаций или напряжений и электрической поляризации в некоторых диэлектрических кристаллах. Принципиальным недостатком пьезоэлектрического привода, ограничивающим его быстродействие, является малое относительное изменение размеров даже при большой величине напряженности электрического поля. Вследствие этого, для перемещения привода, например на 50-100 мкм необходима суммарная высота кристаллов более 100 мм, что приводит к росту массы подвижной части привода. При этом механическая прочность пьезоэлектрических кристаллов при большом количестве циклов нагрузки значительно ниже прочности металлов, это приводит к невозможности получения большего быстродействия при достаточном ресурсе работы такого привода. Принцип действия электромагнитного привода основан на стремлении магнитного поля, создаваемого протекающим через обмотку электромагнита током, к минимальному объему. Вследствие этого подвижный ферромагнитный якорь электромагнита стремится занять такое положение, когда средняя силовая линия магнитного поля в магнитопроводе электромагнита будет иметь минимально возможную для данной конструкции длину. Принципиальными недостатками электромагнитного привода, ограничивающими его быстродействие являются эффект насыщения магнитопровода и большое влияние начального воздушного зазора на величину тяговой силы. Таким образом, для увеличения тяговой силы электромагнита, из-за эффекта насыщения магнитопровода, необходимо пропорционально увеличивать массу подвижной части магнитопровода, т.е. удельная (отнесенная к подвижной массе) величина силы тяги электромагнита ограничена. Следовательно, можно говорить о существовании предела быстродействия устройств с данным приводом, что ограничивает область его применимости.

    Предметом данного изобретения является электродинамический привод, принцип действия которого основан на использовании эффекта силового взаимодействия электрического тока и магнитного поля.Основными элементами конструкции существующих электродинамических приводов являются импульсный источник тока, включающий конденсатор, коммутатор и блок управления, а также толкательпривода, которым может являться электрическая катушка или электропроводящий якорь, который может быть выполнен в виде диска или цилиндра (гильзы). При пропускании через электрическую катушку импульса тока возникает магнитный поток, который взаимодействует с электропроводным материалом электропроводящего якоря и наводит в нем электродвижущую силу. Под действием электродвижущей силы в якоре возникает вихревой электрический ток. Ток якоря взаимодействует с магнитным полем катушки с током, создавая тем самым импульс механической силы отталкивания якоря от катушки. Обычно применяется способ регулирования привода изменением напряжения зарядки конденсаторов, которые разряжаются на обмотку катушки в колебательном режиме разряда.

    Однако известные электродинамические приводы обладают целым рядом существенных недостатков, к которым относится относительно низкий КПД, невозможность длительной работы с высокой частотой срабатывания, сложность их конструктивного исполнения, крупные размеры указанных устройств и их дороговизна. Кроме того, указанные приводы функционируют близко к своим предельным возможностям по параметрам быстродействия и частоты срабатывания.

    В известных электродинамических приводах не учитывается влияние применяемого режима разряда конденсатора на его ресурс и энергоемкость. В настоящее время в существующих электродинамических приводах в основном применяется колебательный режим разряда конденсатора, не обеспечивающий максимальной эффективности привода. При колебательном режиме разряда конденсатора и при коммутации с помощью тиристора, ток, проходящий через катушку, представляет собой одну полуволну разрядного импульса тока конденсатора, так как тиристор отключается при прохождении тока в катушке через ноль. Это энергетически невыгодный режим разряда, так как к моменту отключения импульса тока конденсатор перезаряжается до напряжения с обратным знаком. Данное напряжение меньше исходного по величине, но так как происходит смена знака напряжения, к началу следующего рабочего цикла электродинамического привода необходимо осуществить частичную перезарядку конденсатора. Таким образом, протекающие в зарядном устройстве дополнительные токи понижают КПД электродинамического привода в целом. Кроме того, увеличение размаха напряжения на конденсаторе до величины большей, чем требуемое напряжение заряда конденсатора, снижает ресурс работы конденсатора. Указанные недостатки колебательного режима разряда конденсатора, когда используется одна полуволна импульса тока, широко известны. Однако в практически используемых электродинамических приводах применение колебательного режима разряда конденсатора обусловлено возможностями используемой коммутационной аппаратуры, в качестве которой в настоящее время используются в основном тиристоры. Современная коммутационная аппаратура имеет ограничения по скорости нарастания тока. Превышение этой скорости нарастания разрядного тока в обмотке катушки приводит к необходимости увеличения мощности коммутационного устройства либо к тепловому пробою коммутационного устройства. Кроме того, управление усилием, развиваемым электродинамическим приводом, в основном осуществляется путем управления напряжением заряда конденсатора, что является технологически сложным.

    Таким образом, можно заключить, что колебательный режим разряда конденсатора целесообразно применять для простейших электродинамических приводов небольшой мощности без регулировки механического усилия, развиваемого электродинамическим приводом. Применение же указанного режима конденсатора для сравнительно мощных электродинамических приводов в устройствах, для функционирования которых требуется обеспечение заданных перемещений в течение очень коротких и точно обозначенных промежутков времени, является нецелесообразным, поскольку не позволяет обеспечить требуемое быстродействие и частоту срабатывания электродинамического привода.

    В известных конструкциях электродинамических приводов в качестве импульсного источника энергии используются конденсаторы металлобумажного, металлопленочного и других типов, предназначенных для работы в импульсных режимах с полным разрядом запасенной в конденсаторе энергии. Такие конденсаторы имеют принципиальные недостатки. В импульсном режиме разряда при кратковременном по величине импульсе тока, который необходим для эффективной работы электродинамического привода, ресурс работы таких конденсаторов имеет небольшую величину. Так для большинства типов конденсаторов, работающих в импульсном режиме разряда, ресурс не превышает 108 разрядов. Другим недостатком таких конденсаторов является низкая удельная энергоемкость. Так для современных серийных конденсаторов перечисленных выше типов удельная энергоемкость не превышает 50 Дж/дм3.

    Указанные недостатки обусловлены также многими другими факторами. В частности экспериментально было установлено, что относительно низкий КПД и действующая сила известных электродинамических приводов обусловлены неоптимальным сочетанием параметров и недостатками конструкции их составных частей. Вследствие этого при заданной величине импульса механической силы в несколько раз увеличивается величина необходимой электрической энергии, накапливаемой в конденсаторе, что снижает КПД привода в целом и увеличивает его сложность. В свою очередь низкий КПД указанных приводов обуславливает необходимость подвода значительной мощности к электрической катушке сравнительно небольшого размера. Большая часть подведенной электрической энергии преобразуется в тепло и нагревает привод. Отвод значительного количества тепла от электродинамического привода является сложной технической проблемой. Например, в системах электродинамической штамповки катушки выполняются из проводника в виде трубки, по которой проходит охлаждающая жидкость. Использование подобного решения для охлаждения электродинамического привода в системах управления технически неосуществимо в силу небольших размеров катушки со сравнительно большим количеством витков провода и соответственно малого сечения провода. Охлаждение только внешней поверхности катушки не позволяет отвести достаточно тепла от внутренних витков вследствие низкой теплопроводности существующих электроизоляционных материалов, которые в реальных обмотках катушки составляют около половины объема. Мощность, а значит быстродействие и частота срабатывания существующих электродинамических приводов ограничены возможностями их охлаждения.

    Также на уровень КПД электродинамического привода оказывает влияние соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями диска при действующей частоте тока. В известных ЭДП не выявлено влияние на эффективность привода соотношений между индуктивным и активным сопротивлениями диска при действующей частоте тока. Если активное сопротивление диска будет близко к индуктивному сопротивлению, равно или больше его, эффективность работы привода будет резко падать. Это объясняется сдвигом по фазе вектора импульса наведенного тока в диске относительно вектора импульса тока в катушке в процессе разряда емкостного накопителя, вследствие чего смещаются максимальные значения индукции магнитного поля в катушке и наведенного тока в диске. Что приводит к уменьшению механической силы, которая определяется взаимодействием тока в диске с магнитным полем катушки в рассматриваемый момент времени.

    В известных и наиболее распространенных конструкциях электродинамического привода не определено и не учитывается влияние размеров и конструкции обмотки электрической катушки на коэффициент магнитной связи катушки и якоря, а, следовательно, и на эффективность электродинамического привода.
    Магнитная связь между электрической катушкой и электропроводящим якорем определяется коэффициентом магнитной связи, который является важнейшим конструктивным параметром электрической катушки и якоря. Физически коэффициент магнитной связи показывает, какая часть магнитного потока, создаваемого током, протекающим по обмотке электрической катушки, проникает в якорь и участвует в создании импульса механической силы. Коэффициент магнитной связи Коеф определяется как


    где М - взаимная индуктивность обмотки электрической катушки и якоря;
    L1, L2 - индуктивность обмотки электрической катушки и якоря соответственно.

    Взаимная индуктивность определяется геометрией электрической катушки и якоря, их взаимным расположением, количеством витков в обмотке катушки. Эффективность электродинамического привода крайне чувствительна к величине коэффициента магнитной связи. Чем выше величина коэффициента магнитной связи, тем выше эффективность электродинамического привода при прочих равных условиях.
    Поэтому при создании электродинамического привода необходимо стремиться к такой конструкции, при которой коэффициент магнитной связи будет максимальным, а, следовательно, и эффективность электродинамического привода будет увеличиваться. Однако существующие конструкции электродинамических приводов не в полной мере отвечают указанному требованию.

    Также на уровень КПД электродинамического привода оказывает влияние омическое сопротивление электропроводящего якоря. В известных электродинамических приводах не выявлено существование предельного для эффективной работы электродинамического привода активного омического сопротивления якоря. С увеличением активного омического сопротивления якоря наводимый в нем вихревой ток уменьшается и, соответственно, уменьшается импульс механической силы и КПД электродинамического привода. Экспериментально было установлено, что при превышении некоторого максимального удельного омического сопротивления материала наводимый в якоре вихревой ток резко уменьшается, и, соответственно, уменьшаются развиваемый импульс механической силы и КПД электродинамического привода.

    Кроме того, на уровень КПД значительное влияние оказывают геометрические размеры электрической катушки и электропроводящего якоря, выполненного, например, в виде диска. В известных электродинамических приводах величина импульса силы обычно определяется как величина, пропорциональная диаметру катушки и равного ей по диаметру электропроводящего диска. Однако экспериментально установлено, что существует максимальная величина диаметров конструктивных элементов электродинамического привода, при превышении которой заметно снижается его эффективность. Также на эффективность электродинамического привода оказывает влияние толщина электрической катушки, поскольку КПД процесса передачи электрической энергии от конденсатора в электропроводящий диск электродинамического привода падает при большой толщине катушки. Возникновение вихревого тока в диске создает магнитное поле диска, которое направлено навстречу магнитному полю катушки и в результате уменьшает магнитное поле катушки, вытесняя его в противоположную от диска часть катушки. В результате магнитное поле в диске, с которым взаимодействуют вихревые токи диска, уменьшается и как следствие уменьшается механическая сила, которая зависит от взаимодействия вихревого тока с магнитным полем, созданным в катушке. Существующие же электродинамические приводы зачастую выполнены с неоптимальными размерами его конструктивных элементов.

    Еще одним фактором, обуславливающим указанные недостатки существующих электродинамических приводов, является то, что в известных электродинамических приводах не учитывается влияние ферромагнитного материала электропроводящего якоря на эффективность электродинамического привода. В основном материал диска в той части, в которую проникает магнитный поток, создаваемый током катушки, является ферромагнитным. В области ферромагнитного материала создается импульс механической силы, обратный по направлению импульсу силы, создаваемому взаимодействием тока якоря с магнитным полем катушки с током, что вызывает уменьшение создаваемого электродинамическим приводом импульса механической силы и его КПД.

    Известен электродинамический привод, описанный в авторском свидетельстве СССР № 684629, в котором электрическая энергия преобразуется в линейное перемещение толкателя привода, включающий электрическую катушку и электропроводящий якорь из неферромагнитного материала по крайней мере в той части якоря, в которую проникает магнитное поле катушки, взаимодействующий с катушкой при подключении катушки к источнику электрической энергии. При этом электродинамический привод выполнен с двумя неподвижными электрическими катушками, а толкателями являются две подвижные катушки. Электропроводящий якорь выполнен в виде одной из указанных подвижных катушек, которая представляет собой поршень, выполненный в виде стакана из неферромагнитного материала. Указанная катушка-поршень размещена между неподвижными катушками, выполнена с направлением витков, противоположным направлению витков первой подвижной катушки и магнитно с ней связана, а с рабочим органом, например с клапаном, связана механической и гидравлической связью, причем каждая из подвижных катушек имеет электрическую связь с неподвижной катушкой, противолежащей другой подвижной катушке.

    Недостатками описанной конструкции являются ограниченный импульс силы, определяемый величиной подводимых к катушкам токов, величина которых ограничена возможностями современной коммутационной аппаратуры, и низкий КПД, не позволяющие обеспечить требуемый импульс механической силы, большие габариты привода, обусловленные наличием четырех катушек, большая энергоемкость привода, обусловленная низким КПД. Большая электрическая мощность, подводимая к катушкам сравнительно небольшого размера, приводит к тому, что большая часть подведенной электрической энергии преобразуется в тепло и нагревает привод, что значительно снижает период эффективной работы устройства и приводит к преждевременному выходу его из строя.

    Известен электродинамический привод, описанный в авторском свидетельстве СССР № 1335827, в котором электрическая энергия преобразуется в линейное перемещение толкателя привода, включающий электрическую катушку и электропроводящий якорь, взаимодействующий с катушкой при подключении катушки к импульсному источнику энергии, содержащему конденсатор с подключенным к нему коммутирующим устройством с блоком управления. При этом используемое коммутирующее устройство выполнено с возможностью обеспечения работы конденсатора в колебательном режиме разряда, кроме того, в качестве коммутирующего устройства используется тиристор.

    Недостатками описанной конструкции является использование колебательного режима разряда конденсатора, при котором ток, проходящий через катушку, представляет собой одну полуволну разрядного импульса тока конденсатора. Такой энергетически невыгодный режим разряда конденсатора приводит к возникновению дополнительных токов, протекающих в зарядном устройстве, что приводит к понижению КПД электродинамического привода в целом. Кроме того, используемые в качестве коммутирующего устройства тиристоры имеют ограничения по скорости нарастания тока. Превышение этой скорости нарастания разрядного тока в обмотке катушки приводит к необходимости увеличения мощности коммутационного устройства, что в свою очередь может привести к тепловому пробою коммутационного устройства. Кроме того, к недостаткам описанной конструкции необходимо отнести выполнение электропроводящего якоря из ферромагнитного материала, что обуславливает возможность возникновения импульса механической силы обратного по направлению импульсу силы, создаваемому взаимодействием тока якоря с магнитным полем катушки с током, что вызывает уменьшение создаваемого электродинамическим приводом импульса механической силы и его КПД.

    Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является электродинамический привод, описанный в патенте РФ №2029129, в котором электрическая энергия преобразуется в линейное перемещение толкателя привода, включающий электрическую катушку и электропроводящий якорь из неферромагнитного материала по крайней мере в той части якоря, в которую проникает магнитное поле катушки, взаимодействующий с катушкой при подключении катушки к импульсному источнику электрической энергии, содержащему конденсатор с подключенным к нему коммутирующим устройством с блоком управления. Используемое в данной конструкции коммутирующее устройство выполнено с возможностью обеспечения работы конденсатора в колебательном режиме разряда и представляет собой тиристор.

    Кирилюк © 2017